Закон сохранения и превращения энергии

Сумма всех видов энергии изолированной системы есть величина постоянная - так звучит закон сохранения и превращения энергии, который древние греки формулировали как "из ничего ничего не бывает". Многие учёные внесли свой вклад в открытие этого закона. Мы здесь расскажем о некоторых из них.

В учёной среде долгие годы шли споры относительно того, кто первым открыл знаменитый Закон сохранения энергии. Помимо Джоуля, его сформулировал немецкий учёный Майер, который сделал это несколько раньше. Однако Майер был по профессии врачом и его работы по физике не принимались всерьёз, в то время как Джоуля знали и поддерживали крупные светила в области физики.

Борьба за приоритет велась силами целого ряда английских и немецких учёных, при этом каждый из них, как правило, защищал своего соотечественника и принижал вклад «иностранца». В конце концов формально был признан приоритет Майера, однако правильнее было бы сказать, что к этому закону оба учёных пришли практически одновременно.

Согласно исследованиям Джоуля, теплота, которая выделяется в проводнике, пропорциональна его сопротивлению и квадратичной силе тока, через него проходящего. Первое упоминание этой взаимосвязи Джоулем датируется 1841 годом, тем не менее, у этого утверждения есть и второй признанный автор – русский ученый Ленц, пришедший к схожим выводам в 1842 году. На сегодняшний день закон носит имя Джоуля-Ленца.

Эмиль Христианович Ленц (Heinrich Friedrich Emil Lenz) родился 12 (24) февраля 1804 г. в городе Дерпте (Юрьеве - ныне Тарту) в семье обер-секретаря городского магистрата Христиана Гейнриха Фридриха Ленца. По происхождению он являлся прибалтийским немцем. Мать Луиза, как говорилось раньше, вела дом. Отец умер, когда Эмилию было 13 лет. Семья осталась почти без средств к существованию. Вдова с трудом растила Эмилия и его младшего брата Роберта. Посильную материальную поддержку семье Ленца оказывал дядя, профессор химии Ф. И. Гизе. Луиза смогла устроить детей в частную школу Диттлера. Здесь Эмилий проявил великолепные способности в математике и естественных науках. Гимназию он окончил первым учеником.

В 1820 году, по совету своего дяди, Ф.И.Гизе, 16-летний Эмилий поступил в дерптский университет,где изучал физику и физическую географию под руководством профессора Г. Пайпера. В 1821 году умер профессор Ф.И.Гизе, который оказывал семье Ленца значительную помощь. Лишившийся дядиной поддержки Эмилий был вынужден перейти на теологический факультет, что дало ему некоторое материальное обеспечение. Не чувствуя, однако, никакой склонности к богословию, Эмилий продолжал заниматься физикой.

Ещё до окончания университетского курса Э.X.Ленц, благодаря своим выдающимся способностям, по рекомендации профессоров университета был приглашён участвовать в качестве физика в кругосветном плавании Отто фон Коцебу на шлюпе «Предприятие».

Еще на этапе подготовки к плаванию ученый создал несколько приборов, которые помогли в изучении океана. Среди них батометр – устройство для взятия проб воды с большой глубины. В конце XIX века адмирал Степан Осипович Макаров высоко отозвался об изобретении физика, назвав его лучшим способом доставки воды с глубины.

Экспедиция вышла из Кронштадта в конце июля 1823 года. Обогнув в январе 1824 года мыс Горн, "Предприятие" направилось к архипелагу Туамоту. В марте 1824 года шлюп отдал якорь у острова Таити, откуда двинулся к берегам Камчатки. После непродолжительной стоянки в Петропавловске судно взяло курс на Аляску, откуда проследовало к Сан-Франциско, а затем к Гавайским островам. С островов "Предприятие" вновь направилось сначала на север к Аляске, потом взяло курс на Маршалловы острова. Проведя опись нескольких групп атолловых островов, через Манилу и Зондский пролив шлюп в июле 1826 года вернулся в Россию. На протяжении всей экспедиции Э. Х. Ленц совместно с другими членами экипажа исследовал воздушные и морские течения, состав и свойства морской воды; вёл астрономические и географические наблюдения, производил точную опись берегов (в том числе Восточной Камчатки), изучал рельеф, геологическое строение, особенности внутренних вод и почв.

До исследований Э.Леица единственной причиной морских течений считались ветры. Ленц установил, что причиной ряда морских течений является разница плотности воды в высоких и низких широтах. Таковы глубинные течения холодных вод из районов, прилегающих к Антарктиде, и из Северного Ледовитого океана. Этим же объясняются низкие температуры воды в глубинных слоях тропической зоны Мирового океана.

Работа Ленца, его талант изобретателя получили высокую оценку. Результаты научных исследований этой экспедиции он напечатал в 1831 году в "Мемуарах Академии наук".

В очень короткий срок он совместно с ректором Е. И. Парротом создал уникальные приборы для глубоководных океанографических наблюдений - лебедку-глубомер и батометр. В плавании Ленц провел океанографические, метеорологические и геофизические наблюдения в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах.

Замечательной чертой Ленца как учёного было глубокое понимание физических процессов и умение открывать их закономерности.

По возвращении из экспедиции Э. Х. Ленц ушёл из университета и некоторое время жил вместе с матерью в Дерпте. Затем перебрался в Петербург. Год спустя учёный с блеском защитил в Гейдельберге докторскую диссертацию по результатам своих недавних океанологических исследований.

В 1828 году за выдающиеся результаты геофизических исследований (работа "О солёности морской воды и её температуре в океанах на поверхности и в глубине"), осуществлённых во время экспедиции, Эмилий Христианович был избран адъюнктом Петербургской академии наук по кафедре физики, а в 1834 г. – академиком Петербургской академии наук. С этого времени его интересы перемещаются в область электричества.

В сентябре 1829 года Ленц выполнил гравитационные и магнитные наблюдения в Николаевской обсерватории по программе, составленной А. Гумбольдтом, участвуя в наблюдениях за качанием маятника в этой точке земного шара.

Успешной была и экспедиция в Крым и на Кавказ, где он также принимал участие в первом восхождении на Эльбрус и барометирическим способом определил высоту этой горы. Высота подъёма составила 4267 метров, погода не позволила достичь вершины, хотя до неё оставалось всего 183 метра. На карте Эльбруса к северо-востоку от вершины остались Скалы Ленца.

Тем же способом он установил, что уровень Каспийского моря ниже Чёрного на 30,5 метров. Ленц изобрёл магнитный теодолит и усовершенствовал ряд других геофизических приборов.

Ленц заложил основы баллистического метода измерения физических величин, содействовал признанию закона Ома. Используя результаты Ленца, Г.Гельмгольц получил выражение для ЭДС индукции на основе закона сохранения и превращения энергии.

В 1833 г. Ленц заметил, что правила Фарадея и Нобили, служащие для определения направления индуктивных токов, предусматривали слишком много различных случаев, тогда как, учитывая электродинамический закон Ампера, их можно было легко свести к одному правилу, применимому во всех случаях. Ленц сформулировал это правило, носящее сейчас его имя (закон Ленца). Правило Ленца раскрывало главную закономерность явления: наведенный ток всегда имеет такое направление, что его магнитное поле противодействует процессам, вызывающим индукцию.

Хотя Ленц не сформулировал закон сохранения энергии, но энергетический подход прослеживается в его работах.

В 1836 г. Ленц возглавил кафедру физики и физической географии Петербургского университета, а с 1840 г. был деканом физико-математического факультета.

В 1839 году он составил «Руководство к физике» для русских гимназий, выдержавшее одиннадцать изданий.

В 1840 году Э. Х. Ленц был удостоен степени доктора Гельсингфорского университета. В числе его учеников были Д.И. Менделеев, К.А. Тимирязев, П.П. Семёнов-Тян-Шанский, Ф.Ф. Петрушевский, А.С. Савельев и др.

В 1842 году, изучая тепловое действие тока, Ленц открыл, независимо от Джеймса Джоуля, закон, который теперь носит имя Джоуля – Ленца, согласно которому количество тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени.

Совместно с Б.С. Якоби Ленц разработал методы расчета электромагнитов в электрических машинах, установил существование в последних "реакции якоря". Он изучал зависимость сопротивления металлов от температуры.

В 1845 году было создано Русское географическое общество. В числе его учредителей были и питомцы Дерптского университета академики Э.Ленц, Ф.Струве, Э.Бэр, адмиралы А.Крузенштерн, Ф.Врангель и писатель В.Даль. До конца жизни Эмилий Христианович выполнял в Географическом обществе большую разностороннюю работу.

В 1851 году был опубликован фундаментальный труд Эмилия Ленца «Физическая география», который в дальнейшем неоднократно переиздавался в России и за рубежом. В этой работе Ленц рассмотрел строение земной коры, происхождение и перемещение образующих её пород и показал, что она непрерывно изменяется и что этот процесс влияет на рельеф материков. Он открыл важные закономерности суточного и годового хода температуры и давления воздуха, ветровой деятельности, испарения воды, конденсации водяного пара и образования облаков, электрических и оптических явлений в атмосфере: объяснил происхождение голубого цвета неба, радуги, кругов около Солнца и Луны и ряда редких атмосферных явлений.

Ленц установил причину небольшого повышения температуры воды с глубиной в зоне к югу от 51 градуса южной широты и отметил, что подобная инверсия этой характеристики должна иметь место и в Северном Ледовитом океане. Ленц установил, что соленость воды мало изменяется с глубиной, а в верхнем слое уменьшается с широтой. Плотность воды возрастает с широтой и с глубиной. Главная причина такого её изменения заключается в уменьшении температуры воды в этих направлениях.

Ленц пришёл к выводу, что из-за увеличения плотности воды с широтой в Мировом океане наряду с течениями, вызываемыми ветром и наклоном уровня, должно существовать общее и не менее сильное движение поверхностных вод из тропической зоны в области высоких широт и движение глубинных вод из этих областей в тропическую зону.

Огромное значение для развития науки о Земле имеет положение Ленца, согласно которому главной причиной процессов, происходящих в атмосфере, является солнечная радиация. Ленц заключил, что наибольшая часть солнечной радиации поглощается Мировым океаном. Эта энергия расходуется в основном на испарение воды, вызывая её кругообращение в эпиогеосфере. Поэтому океаны, огромные резервуары тепла и влаги, играют гигантскую роль в формировании климата Земли. Наряду с американским учёным М.Ф. Мори, он был основоположником учения о взаимодействии океана с атмосферой.

Продолжая настойчиво заниматься физическими исследованиями, Э. Х. Ленц более 30 лет преподавал физику и физическую географию в различных военных и гражданских высших учебных заведениях Петербурга. Он преподавал в Морском корпусе, в Михайловской артиллерийской академии, в Педагогическом институте, а также читал лекции по физике великим князьям Константину, Николаю и Михаилу Николаевичам и великим княжнам Ольге и Александре Николаевнам. В те времена широко был распространён обычай читать лекции по какому-либо иностранному учебнику с небольшими дополнениями, о чём так прямо и объявлялось в учебном плане. Э. Ленц читал лекции "по собственным запискам", они отличались строгим изложением и всегда сопровождались демонстрациями опытов, к которым он приготовлялся заранее. С 1863 г. он был ректором Петербургского университета.

Главнейшие результаты его исследований излагаются и во всех учебниках физики. Именно:

• закон индукции («Правило Ленца»), по которому направление индукционного тока всегда таково, что он препятствует тому действию (напр. движению), которым он вызывается (1834 г.).

• «Закон Джоуля и Ленца»: количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника (1842).

• Опыты, подтверждающие «явление Пельтье»; если пропускать гальванический ток через висмутовый и сурьмяной стержни, спаянные концами и охлажденные до 0 °C, то можно заморозить воду, налитую в ямку около спая (1838).

• Опыты над поляризацией электродов (1847) и т. д.

Тяжелое заболевание глаз вынудило Э. Х. Ленца в августе 1864 году прервать научную и педагогическую деятельность и уехать на лечение в Рим. Здесь его состояние улучшилось благодаря стараниям врачей, перемене климата, а главное — отдыху. Он стал видеть, начал понемногу читать и даже пытался работать. Однако улучшение было недолгим — 29 января (10 февраля) 1865 года Эмилий Христианович скоропостижно скончался от кровоизлияния в мозг и был похоронен в Риме на одном из протестантских кладбищ.

Открытия Ленца являются одним из краеугольных камней современного учения об электромагнитных явлениях и практической электротехники.

Э. Х. Ленц известен многими открытиями в области физики. Но среди его научных работ особенно известны две. В 1833 году он установил правило определения направления электродвижущей силы индукции (так называемый закон Ленца), а в 1842 году (независимо от Дж. Джоуля) — закон теплового действия электрического тока (известный как закон Джоуля-Ленца). Кроме того, совместно с Б. С. Якоби Эмилий Христианович впервые разработал методы расчета электромагнитов в электрических машинах.

В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Эмилия Христиановича Ленца кратеру на обратной стороне Луны.

Но вернёмся к закону сохранения и превращения энергии.

Юлиус Роберт Майер (Julius Robert von Mayer) родился 25 ноября 1814 года в Хейльбронне (Германия) в семье аптекаря. Обладая слабым здоровьем, среднюю школу он смог закончить только к двадцати одному году. После школы по примеру своего отца Мейер стал изучать медицину. Высшее медицинское образование он получил в Тюбингенском университете, который окончил в 1838 году, получив степень доктора медицины. После нескольких месяцев работы в клиниках Парижа Майер отправился в плавание в качестве корабельного врача на голландском судне на остров Яву. Плавание длилось год (1840–1841). Именно в это время были сделаны первые наблюдения, приведшие Майера к открытию закона сохранения энергии.

Оказывая врачебную помощь больному матросу, Майер заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что я попал в артерию». Отсюда он сделал вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, то есть артериальной и венозной…».

Майер пришел к важнейшему выводу, что организм управляется естественными физико-химическими законами и, прежде всего, законом сохранения и превращения энергии. Вернувшись из путешествия, он написал статью «О количественном и качественном определении сил» (Майер энергию обозначает термином «сила»), которую отправил 16 июня 1841 года в журнал «Анналы физики».

Однако редакция не напечатала статью начинающего исследователя и даже не ответила ему. Статья, содержащая идею великого открытия, пролежала в письменном столе редактора журнала 36 лет.

Не дождавшись ответа, Майер пишет вторую статью под названием «Замечания о силах неживой природы», которая появилась в мае 1842 года в журнале «Анналы химии и фармации». Однако физики не читали этот журнал, и это сыграло трагическую роль в творческой судьбе Майера. В статье ставится проблема опытного определения механического эквивалента теплоты и предлагается идея такого эксперимента (его поставил в 1847 году Джоуль, не знавший о работе Майера.) Эта работа Майера по праву считается основополагающей в истории закона сохранения и превращения энергии.

Из своего результата он сделал правильный вывод о несовершенстве паровых машин. Майер пишет: «Если с этим результатом сравнить полезное действие наших лучших паровых машин, то мы увидим, что лишь очень малая часть разводимого под котлом тепла действительно превращается в движение или поднятие груза…»

Особенно важна идея Майера о качественном превращении видов энергии при их количественном сохранении. Эту проблему он подробно анализирует в третьей своей работе – брошюре «Органическое движение в его связи с обменом вещества», которую он выпустил за свой счет в 1845 году.

Открытие Майера осталось неизвестным для физиков, и закон сохранения был открыт независимо от него другими учеными — англичанином Джоулем и немцем Гельмгольцем. Майер оказался втянутым в тяжело отразившийся на нём спор о приоритете.

В своих трудах Майер перечисляет различные виды энергии: кинетическую энергию движущихся масс, потенциальную энергию поднятого груза, внутреннюю, электрическую и магнитную (следует отметить гениальную интуицию Майера, понявшего, что и электромагнитные явления подчиняются закону сохранения энергии).

В заключение своего анализа Майер останавливается на химической энергии. Майер раскрыл космическую роль растений и выдвинул перед наукой проблему фотосинтеза. Строки его книги, посвященные анализу превращений солнечной энергии в живых организмах, вдохновили выдающегося русского ученого К. А. Тимирязева, и он предпослал своей книге «Солнце, жизнь и хлорофилл» эпиграф из этой брошюры Майера.

В работе 1851 года «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» Майер сжато и популярно излагает свои идеи о сохранении и превращении силы, и впервые делает попытку защитить свой приоритет в открытии закона сохранения энергии. Спокойный и достойный тон его заявлений маскирует глубокую душевную травму. По словам одного из ученых, «...это сочинение было написано кровью Майера, исчерпав его последние силы».

«Соавторы» открытия закона сохранения энергии — Джоуль и Гельмгольц повели себя по-разному. Джоуль не поддержал своего коллегу, считая, что именно он, Джоуль, первым открыл этот закон на опыте. Гельмгольц же, к его чести, высказался в пользу Майера, заявив, что слава открытия принадлежит и тому, кто первым высказал новую идею, даже если он не смог подтвердить ее количественным экспериментом.

В целом, однако, немецкое научное сообщество не поддержало Майера. Он подвергся травле и насмешкам; родные считали его маньяком. В 1850 году он пытался в порыве отчаяния покончить жизнь самоубийством, выбросившись из окна своего дома, и в результате остался хромым на всю жизнь. Лишь постепенно, после признания работ Джоулем и Гельмгольцем, работы Майера начинают получать признание.

Осенью 1851 году Майер заболел воспалением мозга, после которого его поместили сначала в частный сумасшедший дом, а затем в казённую психиатрическую больницу с ужасным режимом... Надо сказать, что сам Майер не считал себя душевнобольным. Имеются и другие свидетельства того, что родственники насильно отправили его в сумасшедший дом, из которого он был выпущен в 1853 году.

Ю.Майер английскими и немецкими физиками был объявлен сумасшедшим, а позже и совсем забыт. В биографическом справочнике за 1863 год сообщалось, что он уже умер, хотя он дожил до 1878 года и в последние годы жизни дождался славы. Ему была присуждена премия Понселе (1869), он был награждён медалью Копли (1871). В 1882 году Лондонское королевское общество присудило золотые медали Дэви совместно Менделееву и Мейеру с формулировкой «За открытие периодических соотношений атомных весов». В зарубежной литературе Л. Мейер обычно рассматривается как один из авторов периодической системы химических элементов.

В 1867 г. Майер женился на своей коллеге, Йоханне Фолькманн. В браке родилось четверо детей, также избравших научную карьеру.

Майер умер 20 марта 1878 г. Незадолго до смерти, в 1874 г. вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под заглавием “Механика тепла”. В 1876 г. вышли его последние сочинения “О торричеллиевой пустоте” и “Об освобождении сил”.

Оценка заслуг Майера в создании механической теории тепла вызвала в своё время ожесточенную полемику между Клаузиусом, Тиндалем, Джоулем и Дюрингом.

Независимо от Майера, закон сохранения энергии с теоретических позиций разрабатывал Г. Гельмгольц.

Герман Гельмгольц (Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz) родился 31 августа 1821 года в Потсдаме, близ Берлина, где его отец Фердинанд Гельмгольц служил учителем гимназии; мать его Каролина, урожденная Пенн, происходила из английской семьи, переселившейся в Германию. Герман обладал плохой памятью, учился весьма посредственно и окончил гимназию с грехом пополам. Во время его учебы в гимназии никто даже подумать не мог, что он столько полезного сделает в науке! Однако Герман сделался выдающимся физиологом.

Он с детства проявлял большой интерес к естествознанию, хотел заниматься физикой. Но, закончив в 1838 г. Потсдамскую гимназию, он по настоянию отца поступил в Медицинский институт Фридриха Вильгельма в Берлине. Семнадцатилетний студент в первом семестре изучал физику, химию и анатомию и за первый год прослушал логику, историю, латинский и французский языки. Герману повезло не только с сокурсниками (с ним училась целая плеяда будущих корифеев физиологии, составившая цвет немецкой науки: Карл Людвиг, Дюбуа-Реймон, Брюкке, Вирхов, Шванн), но и с преподавателем физиологии Иоганнесом Мюллером, светилом немецкой физиологической науки. Во втором семестре под влиянием своего знаменитого учителя Герман заинтересовался физиологией и гистологией. Учеников Мюллера объединяло одинаковое стремление связать физику с физиологией и найти для их обоснования более прочный фундамент. Герман значительно превосходил своих друзей в знании математики, которая давала ему возможность точно «формулировать задачи и давать методом их решения правильное направление».

Окончив университет в 1842 году, защитил докторскую диссертацию, посвященную строению нервной системы. В этой работе двадцатидвухлетний врач впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани, получивших позднее название нейронов.

Уже в студенческие годы он проявил интерес к физиологии, задавшись вопросом о сущности силы. В работе "О сохранении силы" (1847) он на основе принципа сохранения анализирует различные явления: падение тел, переход механического движения в тепловое, выделение теплоты при химических реакциях, контактную разность потенциалов, работу гальванических элементов.

Обязательной для выпускников королевского медико-хирургического института была восьмилетняя военная служба, которую Гельмгольц проходил с 1843 года в Потсдаме, в качестве военного врача.

Жил он в казарме и вставал в пять часов утра по сигналу кавалерийской трубы. Но эскадронный хирург гусарского полка находил время и для занятий наукой.

Гельмгольц был знаком с проблемой вечного двигателя со школьных лет, а в студенческие годы «в свободные минуты... разыскивал и просматривал сочинения Даниила Бернулли, Жана Лерона Даламбера и других математиков прошлого столетия». «Таким образом, я, — говорил Гельмгольц, — натолкнулся на вопрос: «Какое отношение должно существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?» — и далее: «Выполняются ли в действительности все эти отношения?».

В журнале Мюллера Герман Гельмгольц опубликовал в 1845 году работу «О расходовании вещества при действии мышц». В том же 1845 году молодые ученые, группировавшиеся вокруг Магнуса и Мюллера, образовали Берлинское физическое общество. В него вошёл и Гельмгольц. С 1845 года общество, превратившееся в дальнейшем в Немецкое физическое общество, стало издавать первый реферативный журнал «Успехи физики».

В 1845–1846 сформировались основные идеи учёного, послужившие основной его знаменитой работы "О сохранении силы" . 23 июля 1847 года Гельмгольц сделал доклад по этой теме в Физическом обществе. В нём он математически обосновал закон сохранениия сил (на современном научном языке – энергии), показал его универсальность, ввёл понятие потенциальной энергии (в его терминологии – силы напряжения), связал закон сохранения энергии с невозможностью построения вечного двигателя.

Переведенный в 1847 году в королевский полк, Гельмгольц познакомился со своей будущей женой Ольгой фон Фельтен. 26 августа 1848 года Гельмгольц женился на Ольге, и молодожены отправились в Кенигсберг обустраивать свое семейное счастье. Ольга не только взвалила на себя все бытовые заботы, но и, будучи девушкой образованной, помогала мужу в его исследованиях. Кроме того, дом Гельмгольца быстро стал одним из центров культурной жизни города: здесь часто проходили музыкальные вечера, ставились любительские спектакли. Летом 1850 года в семье появился первый ребенок – девочка, получившая имя Катерина Каролина Юлия Бетти. В 1852 году Ольга родила сына Рихарда.

По рекомендации Александра Гумбольдта в 1848 году Гельмгольцу было разрешено преждевременно оставить военную службу и возвратиться в Берлин, чтобы занять место в Академии художеств в качестве преподавателя анатомии; одновременно Гельмгольц становится ассистентом при анатомическом музее.

В 1843-1849 г.г. Гельмгольц работал военным хирургом в Потсдаме. Постоянные занятия физикой позволили ему, в 1847 году ещё неизвестному эскадронному врачу, сформулировать независимо от Р. Майера и Д. Джоуля закон сохранения и превращения энергии, универсальность этого закона, т.е. применимость его ко всем известным тогда физическим явлениям. Это открытие принесло Гельмгольцу широкую и заслуженную славу. Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой Майера он не был знаком, а работы Джоуля знал недостаточно.

В 1849 году по рекомендации своего учителя, знаменитого физиолога Иоганна Мюллера, он был приглашён на должность профессора физиологии и общей анатомии в Кёнигсберг. Гельмгольц высоко ценил воспитывающее влияние своего профессора-руководителя Иоганна Мюллера и держался его направления. Недаром он говорил о нём: «Кто раз пришёл в соприкосновение с человеком первоклассным, у того духовный масштаб изменён навсегда — тот пережил самое интересное, что может дать жизнь…».

В августе 1853 года Гельмгольц, оставив жену с двумя детьми у родных, предпринял первое путешествие в Англию, где познакомился с Фарадеем. В 1854 году умерла его горячо любимая мать. В то же время туберкулез жены начал угрожать её здоровью. Гельмгольц стал предпринимать меры, чтобы переселиться в другой город, где климат был мягче, и такая возможность ему представилась, когда освободилась кафедра физиологии и анатомии в Бонне. В 1855 году он получил назначение на кафедру анатомии и физиологии в Боннский университет.

В 1855 году Гельмгольц переезжает в Бонн, где руководит кафедрой анатомии и физиологии, с 1858 года — кафедрой физиологии в Гейдельберге. В маленьком Гейдельберге уже работали профессорами два его близких друга – Бунзен и Кирхгоф. В этой лаборатории у Гельмгольца учился Иван Михайлович Сеченов. Насколько велико было впечатление, произведенное на него учителем, можно судить по следующим его словам: «Что я могу сказать об этом из ряда вон человеке? По ничтожности образования приблизиться к нему я не мог, так что видел его, так сказать, лишь издали, никогда не оставаясь притом спокойным в его присутствии… От его… фигуры с задумчивыми глазами веяло каким-то миром, словно не от мира сего. Как это ни странно, но говорю сущую правду: он производил на меня впечатление, подобное тому, какое я испытывал, глядя впервые на Сикстинскую мадонну в Дрездене, тем более что его глаза по выражению были в самом деле похожи на глаза этой мадонны».

В Гейдельберга наступило обострение тяжелой болезни жены. 28 декабря 1859 года Ольга Гельмгольц скончалась. В связи с тяжелым нервным состоянием и усталостью у Гельмгольца участились обморочные состояния, бывавшие и раньше. На его руках остались двое маленьких детей. Через год он сделал предложение Анне Моль, племяннице профессора персидского языка в Коллеж де Франс Парижа. Анна большую часть своей жизни провела в Париже и Лондоне, была высокообразованной девушкой. После возвращения Гельмгольца из Англии 16 мая 1861 года состоялась свадьба с Анной фон Моль. 22 ноября 1862 года Гельмгольц избирается проректором Гейдельбергского университета.

В 1870 году Гельмгольц становится членом Прусской академии наук.

В Гейдельберге Гельмгольц оставался до 1871 года, когда по приглашению Берлинского университета возглавил вакантную, после смерти известного профессора физики Густава Магнуса, кафедру физики.

Работы Гельмгольца увели его далеко за пределы физиологии, поэтому нет ничего удивительного в том, что когда освободилась кафедра физики в Берлинском университете, то Дюбуа-Реймон - ректор Берлинского университета, направил Гельмгольцу предложение возглавить первую кафедру физики в Германии. 13 февраля 1871 года, возвращаясь из путешествия по Швейцарии, Гельмгольц был приглашён в Версаль, где Вильгельм I подписал его назначение профессором физики. По этому поводу Дюбуа-Реймон заметил: «Произошло неслыханное дело: медик и профессор физиологии занял главную физическую кафедру Германии».

Вскоре Германа фон Гельмгольца избирают профессором физики в Медико-хирургическую академию, в которой он получил своё научное образование. Здесь, продолжая свои работы по физиологической акустике и оптике, он всё более и более отходит от медицины, переходит к чисто физическим вопросам. Он также получил от Уильяма Томсона запрос, не желает ли он занять кафедру экспериментальной физики в Кембридже, где первым профессором физики был знаменитый Максвелл и позже наиболее крупный из современных физиков Э. Резерфорд.

В 1873 г. на него обрушилась еще одна семейная трагедия, умерла его дочь Кэт. Гельмгольц тяжело пережил потерю родного человека. Но жизнь идёт дальше.

15 октября 1877 года Гельмгольц избирается ректором Берлинского университета и тогда же публикует работу «О мышлении и медицине», представляющую глубочайший интерес до сего времени.

После Магнуса Гельмгольц получил в наследие маленькую и неудобную лабораторию; она была первой в Европе по времени основания, а он вторым по времени её руководителем. Тесно и неуютно было ему в маленькой лаборатории, и вот при содействии правительства он выстроил в 1877 году дворец науки, именуемый ныне Физическим институтом Берлинского университета, которым и управлял до 1888 года, когда германский Рейхстаг основал в Шарлоттенбурге большое учреждение — физико-техническое имперское ведомство и назначил Гельмгольца его президентом. С тех пор он покинул физический институт в Берлине, передав руководство профессору Августу Кундту, а сам читал лекции лишь теоретического характера.

Гельмгольцем были получены классические результаты по физиологии зрения и слуха. Им изобретён офтальмоскоп и созданы акустические резонаторы (резонаторы Гельмгольца).

В конце 50-ых годов Гельмгольц обратился к теоретической физике - гидродинамике и электродинамике.

Гельмгольц был разносторонним учёным, блестящим экспериментатором и крупным мыслителем, организатором науки.

Он разработал термодинамическую теорию химических процессов, введя понятия свободной и связанной энергии, в 1869 г. создал колебательный контур, состоящий из индуктивности и ёмкости.

Гельмгольц первым измерил скорость распространения нервного возбуждения.

Гельмгольц говорил: "Насколько я помню, счастливые мысли никогда не приходили ко мне за письменным столом и когда мозг был утомлён. Счастливые мысли часто приходят по утрам. Но они предпочитают появляться во время легких прогулок по лесистым горам в солнечную погоду".

В работах Гельмгольца были заложены основы новой науки биофизики. Он, в частности, установил, что красный цвет вызывает раздражение, а зелёный - успокаивает.

Г. Гельмгольц стоял у истоков и другой науки - музыкальной гармонии. Он показал физиологическое воздействие музыки на человека.

Г. Гельмгольц заложил основы теории вихрей, исследовал волновые движения. Полученные им результаты были использованы впоследствии Максвеллом и Лоренцом.

В 1873 г. Гельмгольц изложил некоторые теоретические вопросы управляемого воздухоплавания.

Герман Гельмгольц был одним из основателей теории «иероглифов», по которой наши ощущения являются не образами вещей, а символами, иероглифами, ничем не похожими на объекты природы.

Удивительную трудоспособность и чёткость мысли он сохранил до последних дней своей жизни.

Сообразно разностороннему характеру своей педагогической деятельности, он подарил Европе учеников — специалистов по различным отраслям естествознания. Не перечисляя его учеников заграницей, отметим лишь российских: Н. Н. Гезехаус, А. П. Соколов, Р. А. Колли, П. Ф. Зилов, Н. Н. Шиллер; из биологов и врачей профессор Э.Адамюк, Н.Бакста, Л.Гиршман, И.Догель, В.Дыбковский, Э. Мандельштамм, И.Сеченов, А. Ходин, Ф. Шереметьевский, Э. Юнге, из которых многие приобрели себе громкое имя в науке и основали школы в русских университетах.

С портрета Гельмгольца на нас глядит волевое, властное лицо, кончики густых седых усов опущены книзу Безукоризненный костюм. Пронзительный несколько тяжеловатый взгляд. Герц обращался к нему не иначе, как «Ваше превосходительство».

Сын Роберт — молодой ученый физик, получивший премию за свою работу «О лучеиспускании пламени», умер в 1889 году.

5 апреля 1881 г. в речи, посвящённой Фарадею, Гельмгольц впервые чётко высказал идею атомного строения электричества. Он говорил: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определённые элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».

Ещё при изучении проблем о локализации зрительных впечатлений в поле зрения Гельмгольц пришел к выводу, что все аксиомы геометрии имеют опытное происхождение. После изучения трудов Лобачевского Гельмгольц предложил модель пространства переменной кривизны как «поля изображения выпуклого зеркала или линзы». В книге «Счет и измерение» Гельмгольц в качестве главной проблемы арифметики считал обоснование ее автоматической применимости к физическим явлениям. Исходя из того, что само понятие числа заимствовано из опыта, Гельмгольц считал, что действительные числа и их свойства применимы лишь именно к этим опытам, в которых изучаемые объекты не должны трансформироваться (как пошутил А.Лебег, «поместив в клетку льва и кролика, мы не обнаружим в ней позднее двух животных»). По Гельмгольцу, даже понятие равенства неприменимо автоматически к каждому опыту.

(Окончание следует)